physique appliquée à la plongée emmanuel bernier
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Physique appliquée à la plongée
Emmanuel Bernier
Plan du cours
• Notions de calcul
• Grandeurs physiques
• Unités
• Flottabilité
• Compressibilité
• Acoustique
• Optique
• Pression partielle
• Dissolution
• Modèle de Haldane
Notions de calcul
• A + B = C A ?
A + B - B = C - B A = C - B
• A x B = C A ?
A x B / B = C / B A = C / B
• A / B = C A ?
(A / B) x B = C x B A = C x B = B x C
A
CB
A / B = C
A / C = B
A = B x C
Grandeurs physiques (1)
• Force : intensité, direction, sens , s'exprime « officiellement » en newton (N)
• Poids : force verticale dirigée vers le bas, due à la pesanteur • Masse : quantité de matière, s'exprime en kilogramme (kg)
• P = M x g g = 9,81 m/s2, approximé à 10 (à 2% près)
g étant pratiquement constant (à la surface de la terre), on s’autorise à assimiler les forces à des masses et à les exprimer en kg
• Masse volumique : = M / V, s'exprime en kg/m3 M = x V
• Densité : rapport de la masse volumique à celle de l'eau douce (sans unité) d = / 0
Grandeurs physiques (2)
• Pression : p = F / S, s'exprime « officiellement » en pascal (Pa) F = p x S (matériel)
Exemples : couteau de plongée, épine d’oursin, manomètre,…
• Pression atmosphérique : poids de la colonne d’air par unité de surface
• Pression hydrostatique (relative) : poids de la colonne d'eau par unité de surface
p = P / S = M x g / S = x V x g / S = x g x h = 10000 x h (Pa) = 0,1 x h (bar)
• À 10m en eau de mer, prel = 1,01 bar (1 + 1%)
• À 10m en eau douce, prel = 0,98 bar (1 - 2%)
Exemple : le manomètre
Unités usuelles
• Volume
– 1 m3 = 1000 L
– 1 L = 1000 cm3 = 1 dm3
• Force
– 1 kgf = 9,81 N par soucis de simplification, on utilise le kg
• Pression
– 1 bar = 100000 Pa
– 1 mbar = 100 Pa = 1 hPa
– 1 atm = 1013 hPa = 1,013 bar = 760 mmHg
– 1 kg/cm2 = 0,981 bar
– 1 bar = 14,5 PSI 200 bar 3000 PSI
• Règles d'écriture des unités
Compressibilité : Boyle - Mariotte
• P x V = Cte
• Valide si P < 250 bar et T < 220°C
• À température constante, P x V représente une quantité (masse, nombre de molécules) de gaz
• Applications : consommation, autonomie, parachute, gonflage par transfert
P0 x V1,0 = P1 x V1
Pour P0 = 1 bar, V1,0 = P1 x V1
(P1 en bars)P1 x V1
Compressibilité : Boyle - Mariotte (suite)
P1 x V1 P2 x V2
Volume à P0 = 1 bar : P1 x V1 + P2 x V2
Pour V = V1 + V2 : P x V = P1 x V1 + P2 x V2
P = (P1 x V1 + P2 x V2) / (V1 + V2)
• Applications : équilibrage de blocs
Compressibilité : Charles
• Influence de la température absolue
• La température absolue est exprimée en Kelvin (K)
• T(K) = T(°C) + 273,15 (on arrondit à 273)
• A volume constant, P / T est constant
• P1 / T1 = P2 / T2
• Applications : variation de température des blocs gonflés
Flottabilité (1)
« Tout corps plongé dans un fluide subit de la part de celui-ci une poussée verticale dirigée de bas en haut, d'intensité égale au poids du fluide déplacé »
poids apparent = poids réel – poussée d'Archimède
Flottabilité (2)
Papp < 0
Flottabilité positive
Papp = 0
Flottabilité neutre
Papp > 0
Flottabilité négative
Méthodologie de calcul
• Préel (kg) = dobjet x 1 (kg/L) x Vobjet (L)
• PArch (kg) = deau x 1 (kg/L) x Vobjet (L)
• Papp (kg) = Préel (kg) – PArch (kg)
Flottabilité (3)
A l’équilibre, le poids du liquide déplacé est égal au poids de l’objet
Flottabilité : applications
• Relevage d'objets immergés
• Équilibrage d'objets immergés
• Équilibre d'objets en surface
• Densité de l'eau de mer = 1,03
• Densité du plomb = 11,3
Fonctions de l’oreille : audition
• Vibration du milieu (onde de pression) sur le tympan
• Transmission à la fenêtre ovale via la chaîne marteau-enclume-étrier
• Vibration du liquide cochléaire transmise au cerveau via le nerf cochléaire
• Évacuation de l’onde de pression cochléaire dans l’oreille moyenne via la fenêtre ronde
Audition subaquatique
• Vitesse du son dans l'air : 330 m/s
• Vitesse du son dans l‘eau : 1500 m/s
• Stréréophonie :
– Les 2 oreilles ne sont pas à la même distance de la source
– Le cerveau analyse le déphasage entre les 2 oreilles et détermine la direction de la source
– Si la vitesse du son augmente, le déphasage diminue et devient imperceptible pour le cerveau perte de la stéréophonie
– Transmission osseuse aux 2 OI par la boîte crânienne
– Le cerveau humain est adapté à une audition stéréophonique aérienne, pas à audition stéréophonique subaquatique !!!
Changement de milieu : la réfraction
La lumière dans l'eau
0 m
100 m
50 m
200 m
150 m
250 m
Lentille convergente
La vision
Vision subaquatique : modification des perceptions
• Grossissement
• Rétrécissement du champ de vision
• Rapprochement
Guide de palanquée
Notion de pression partielle
Dans un mélange de gaz, chaque constituant se comporte comme s'il occupait seul le volume disponible
0,2 l 0,8 l
1 bar
1 l
oxygène azote
0,8 bar0,2 bar
Notion de pression partielle (suite)
• Pp = Pabs x %
• Pabs = Pp / %
• % = Pp / Pabs
• Pp1 + Pp2 + … + Ppn = Pabs
C'est la pression partielle des gaz dans l'organisme qui va déterminer leur effet sur celui-ci
Pp
Pabs %
La dissolution des gaz
• Pression du gaz sur le liquide dissolution
• 4 états : sous-saturation, équilibre, sur-saturation, sur-saturation critique
• À l’équilibre, par définition :
tension (gaz dissous) = pression (gaz gazeux)
• Solubilité (fonction de la température)
• A l’équilibre, la quantité de gaz dissous est proportionnelle à sa solubilité dans le liquide et à sa tension
P
T
P = Téquilibre
P > Tsous-saturation
P = Téquilibre
P < Tsur-saturation
P << T sur-saturation
critique
Les facteurs qui influencent la dissolution
• Pression du gaz (Profondeur) : pression gaz dissous
• Durée d’exposition (Temps d’immersion) : durée gaz dissous
• Surface de contact (Vascularisation) : surface vitesse de dissolution
• Température (37°C) : température gaz dissous
• Nature du gaz et du liquide (affinité, solubilité) : Tissus (sang, lymphe,…), mélange gazeux respiré
• Agitation : agitation vitesse de dissolution (Débit sanguin)
Modèle de décompression
• Notion de modèle :
– Représentation simplifiée de la réalité
– Hypothèses
– Validation expérimentale
– Simulation
• Modèle de Haldane :
– 5 hypothèses :
• Équilibre alvéolaire instantané
• Équilibre tissulaire instantané
• Tissus anatomiques représentés par des compartiments
• Taux de perfusion constant
• Charge et décharge symétriques
– Tout le gaz est dissout, les bulles sont pathogènes (Sc)
– Perfusion limitante (débit d’irrigation, solubilité)
Que nous dit le modèle de Haldane ?
• Les différents tissus de l’organisme sont représentés par des compartiments
• Chaque compartiment est caractérisé par sa période (en min) significative de sa perfusion, donc de sa vitesse de charge et de décharge
• En 1 période, le compartiment échange la moitié du gradient
• G = pression partielle – tension
• Volume critique des bulles tissulaires :TN2 / Pabs ≤ Sc ou Pabs ≥ TN2 / Sc détermine les paliers
Méthodologie de calcul
• Tension initiale (Ti)
• Pression partielle d’azote respirée = PpN2 resp
• Gradient (G)
• Nombre de périodes
• Pourcentage de saturation (%sat)
• Tension finale (Tf)
G = PpN2 resp – Ti
Tf = Ti + %sat x G
Nb 1 2 3 4
% 50% 75% 87,5% 93,75%
Compartiment directeur (ex : 30 min à 30m)
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Temps (min)
TN
2 (b
ar)
C5
C7
C10
C15
C20
C30
C40
C50
C60
C80
C100
C120
Compartiment directeur (ex : 30 min à 30m)
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
1,10
1,20
1,30
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Temps (min)
TN
2/S
c
C5
C7
C10
C15
C20
C30
C40
C50
C60
C80
C100
C120
Limites du modèle de Haldane
• Équilibre alvéolaire ralenti en cas d’engorgement du filtre pulmonaire
• Équilibre tissulaire non instantané dans les tissus lents (cartilages articulaires)
• Taux de perfusion variable à effort (augmentation de la température et de la perfusion)
• Décharge plus lente que la charge du fait des micro-bulles ( modèle sigmoïde, modèle à décharge linéaire)
• Présence de micro-bulles circulantes à la décharge (gaz gazeux)
• Composition du gaz alvéolaire différente de celle du gaz respiré (H2O et CO2 indépendants de la pression)
Variété et nouveauté des modèles : Buhlmann, VPM (paliers profonds), RGBM, M-values (seuil N2 variable avec la profondeur), Hempleman (diffusion limitante),…
Utilisation d’O2 pur
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Temps (min)
TN
2 (b
ar)
C15 : immersion
C15 : O2 en fin
C15 : O2 en début
C120 : immersion
C120 : O2 en fin
C120 : O2 en début
Questions ?…